U形管采样技术研究

潘德元，李小杰，郑继天，叶成明

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

深部地层流体样品能够提供地下流体化学特征、同位素组分、溶解气体和微生物特征等，具有深部空间物理、化学和生物信息，对深井设计开发以及深部流体监测具有重要意义，是深井工程的重要组成部分。然而，采集地下原状流体具备相当大的困难，首先，钻探及成井过程中钻井液会对地层流体产生污染;其次，取样过程中的工艺手段会对地层流体产生扰动，影响其原状性;第三，井下空间狭小，且存在很高的液柱压力，深部流体取样对取样设备需要合理的结构设计和较高的性能要求。

地层流体采样技术主要分浅层流体取样和深部流体取样。国内外浅层流体取样设备种类较多，如国外QED公司的气动压出式隔膜泵、Solinst公司的蠕动泵采样器、以及国内的地下水采样系统等等，但是这类设备的取样深度都较浅，基本在几十到200 m之间。深部流体取样中油井中通常运用电缆地层测试器，但是工艺复杂，成本高。我国地下水采样技术在深部地下水取样目前仍是空白。

U形管采样技术(The U－tube Sampling System)是目前国际上最先进的深井井下狭小空间取样技术，其最大特点是在环状间隙很小的井筒内实现深部采样。美国劳伦斯伯克力试验室于2004年研发成功U形管采样设备，并整合了多项监测系统，最大取样深度达到2000 m。

Frio项目就采用U形管取样技术实现地下流体采集，监测二氧化碳在储层中的赋存状态和运移规律，以及监测二氧化碳在盖层中的泄漏风险，是二氧化碳在咸水含水层封存的示范工程。

1 U形管取样技术原理

U形管取样器是一个简单的流体容积泵，使用高压气体驱动。图1为安装封隔器的U形管取样器示意图。

图1 U形管结构示意图

在概念上，U形管取样原理较为简单，取样管和驱动管回路形成一个U形回路，回路下方安装一单向阀，通过封隔器隔离地层流体(可采用双封隔器)。

采集地下水样品时，先将U形管驱动管管头和取样管管头与大气连通，地层水通过单向阀进入U形管内，从驱动管管头注入高压氮气(或其它惰性气体)，此时单向阀关闭，驱使地层流体样品从取样管流出地表，完成样品采集。通过重复以上采样过程，地层流体可以不断置换、更新，最终采集到新鲜的地层流体。采样过程如图2所示。

图2 U形管采样原理图

2 U形管取样系统设计

2.1 总体设计

U形管取样系统设计分为地面控制系统和井下采样系统2部分。地面系统包括动力组件、管线及绞车系统、取样控制组件、样品采集容器等;井下采样系统包括上下封隔器(上封隔器过管线设计)、单向阀组件。如图3所示。

图3 U形管取样系统总成

2.1.1 动力组件

空压机驱动或高压氮气瓶，产生高压气体驱动地层流体流出地面。

2.1.2 管线及绞车系统

管线分为驱动管和取样管，需要将管线盘绕绞车上方便运输及取样。

2.1.3 取样控制组件

控制从空压机或者高压氮气瓶输出的气体进入驱动管线的压力和时间、以及驱动管连通大气的时间。

2.1.4 样品采集容器

收集从取样管中流出的样品。

2.1.5 封隔器

上下封隔器的目的是隔离上下地层流体，防止地层流体混合，以便获得目的层位流体，上封隔器需要进行过管线设计。在本次试验中未加入封隔器。

2.1.6 单向阀组件

允许地层流体在地层压力作用下进入管线中，阻止回流重新进入地层。

2.2 单向阀组件设计

单向阀组件是为获取地层流体而设计的，为满足深井取样需求，单向阀组件具有小体积、较高强度、耐腐蚀性、耐磨损等性能。采用316不锈钢为材料，总体设计组装图见图4，主体部件体积为50 mm×22 mm×58 mm，单向阀采用球阀设计，下方为地层流体入口，上方左边连接送气管线，右边连接取样管。

图4 单向阀组件组装图及实物

为能够实现在地面取样和压力驱动多样化，在取样管底端设计一个单向阀，当取样管中液面高于驱动管时，这种设计能够防止取样管中样品回流，主要目的是降低地面气体的压力，采用较低的驱动压力就能驱动样品一段一段进入取样管就是实现取样，确保地面控制系统安全性能。

2.3 管线选择

针对驱动管和取样管的使用环境，管线需要满足内外径尺寸、耐磨及耐腐蚀性能要求，同时具有较高的抗压、抗挤以及抗拉强度，并且弯曲半径不宜过大，方便随车携带。经过广泛调研，选取了不锈钢盘管和超高压钢丝缠绕软管作为U形管管体材料的备选管材。

高压不锈钢盘管材料有202、304、316L等多种材质，经过特殊处理后具有抗内压、外压强度高、管壁薄、单根长度大等特点，但下管和盘管时都需要进行盘管作业，对提下管操作提出很高要求，在起下管柱频繁的情况下增加了工作量，同时易对管线造成损坏。

高压钢丝缠绕软管由一层耐液压流体的橡胶内衬层、以交替方向缠绕的钢丝增强层和一层耐油和耐天候的橡胶外覆层构成，最高承压能力可以达到400 MPa，具有承压能力高、耐磨损、抗老化、耐高低温(－40～+90℃)、卫生安全、弯曲灵活、使用方便等许多特点，但是管壁厚，管线内径损失较大。

综合对比高压不锈钢盘管和高压钢丝缠绕软管的各项性能，再结合本次U形管取样试验要求，确定选择高压钢丝缠绕软管作为U形管管线。驱动管和取样管的内外径分别为7.5 mm/11.6 mm，8 mm/14.3 mm，爆破压力达到55.0 MPa以上。

2.4 地面控制箱设计

控制箱是为了调节驱动管送气、放气时间(连接大气)及气体压力，需要具有耐高压、自动控制及参数可调等特点，目前设计的控制箱自动控制充放气，耐压5 MPa，时间调节0～999 s。

2.5 取样方式设计

根据试验要求，设计了2种取样方式:单循环取样、连续取样。

单循环取样方式是指将驱动管接通空压机或者高压氮气瓶一次性将管内液体推出地面，然后将驱动管和取样管连通大气，等待地下流体进入管内，再次进行第二次取样。

连续取样方式是在驱动管前端连接控制系统，控制驱动管充气及放气时间(与大气连通时间)和气体压力，通过调整时间将液体逐段推入取样管中，实现连续取样。单次循环时间是指从上次取样停止，驱动管与取样管连通大气等待水位回复时间加上第二次取样时间。

3 现场试验

野外试验用井选取了位于河南临颍县的一口地热井，井深为1206 m。管井结构自上而下为:0～168 m为273 mm×7 mm螺旋钢管;168～1206 m为159 mm×6 mm钢管及同径桥式滤水管。静水位35 m。

由于是首次开展深井U形管井下取样测试，取样深度大、取样压力高，本次野外试验分为井下270、370和500 m 3个递进阶段进行单次循环取样试验，以及采用控制箱进行低扰动连续取样试验，在逐步探索过程中积累经验。经过项目组人员的共同努力，历时一个星期，终于完成了试验测试，取得满意的试验效果。在取样深度500 m的条件下，U形管平均单循环取样量为20 L;控制箱取样时最大流量达到40 L/h。

本次试验单循环取样深度由浅入深，在取样深度500 m处是将单向阀下至400 m，下方进水窗口连接100 m管线，取样各项参数见表1。随着取样深度增加，单次循环时间增加。

表1 单循环取样参数

本次试验连续取样时将气体驱动时间和与大气连通时间都设置为100 s，控制气压进行取样试验时发现，当气压＜1 MPa时不上水，提升到2 MPa时开始上水，并随着气压升高上水量增加，最大流量达到40.5 L/h。随着单向阀下入深度越深，管内流体阻力越大，驱动气压越高。连续取样现场参数见表2和图7。

表2 连续取样参数

图5 连续取样气压与取样体积关系

4 结论

深部狭小空间取样是目前国际上的一个技术难题，此次结合国内二氧化碳地质储存监测井取样的实际需求，根据U形管取样原理，自主设计了一套U形管采样器，取得了较好的成果，也存在很多的不足。

(1)本次试验取样深度达到500 m，流量40 L/h，填补了我国深孔液体取样技术的空白。

(2)试验数据显示，2种取样模式对比发现，连续取样模式能够在地面采用较低的驱动气压实现取样，保障地面系统的安全性能。

(3)在试验过程中对比2种取样模式，在对样品影响方面，连续取样时每一小段流体都与大气产生接触，而单循环取样只有两端流体与大气接触;在取样工序上，目前单循环模式每次都需要人工操作，而连续取样可以实现初步的自动化;在取样速度方面，单循环取样速度比较恒定，与井深等参数无明显关系，连续取样方式随着驱动气压的升高增加取样速度。

(4)U形管采样技术体积小，有较广的应用前景。油藏流体是油气田开发最基本的资料之一，在探井完井过程中依附完井管柱下入永久式U形管取样设备，同时设计整合其他监测系统，如地层压力监测等能够有效的监测目的层油藏各项参数。

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[2] 中国21世纪议程管理中心，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心.中国二氧化碳地质封存选址指南研究[M].北京:地质出版社，2012.

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